重组竹紫外光降解与涂膜屏蔽机制的研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:excalibur
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重组竹是以竹材和树脂为原料,经过定向重组成型的一种新型竹基复合材料,具有原材料利用率高、力学强度高、尺寸稳定性强、天然可降解等优势,应用领域逐渐从室内中端产品拓展到户外高端高附加值产品,对于竹材的高效高质化利用具有重要意义。然而,由于竹材的生物质特性,重组竹在户外应用环境中会发生光降解,导致表面劣化、性能下降和使用寿命减少。因此,本文通过对重组竹的物理力学性能、胶合界面、表面紫外光降解机理和紫外屏蔽涂料光保护开展系统研究,为重组竹在户外领域的推广应用提供科学依据和技术支撑。本文以毛竹(Phyllostachys pubescens Mazel)和酚醛树脂(PF)为原材料,制备了不同树脂含量的重组竹,并评价了其物理力学性能;从宏观、微观和分子尺度表征了重组竹的胶合界面,探究了重组竹的胶合机制;对比研究了重组竹和竹材在紫外光(UV)辐照处理后的表面光稳定性差异,探讨了重组竹的紫外光降解机理;基于竹材和重组竹的光降解机理,以苯并三唑(BTZ)、二苯甲酮(BP)、纳米二氧化钛(Ti O2)和纳米氧化锌(ZnO)为紫外吸收剂,制备和优选出了能为竹质材料提供长效光保护作用的紫外屏蔽涂料。得出主要结论如下:(1)树脂含量对重组竹的物理力学性能有显著影响,户外用重组竹的最佳树脂含量为20 wt%。重组竹的耐水性能随着树脂含量增加而逐渐增强,剪切强度随着树脂含量从10 wt%增至20 wt%而增加,剪切强度和抗压强度在树脂含量超过20 wt%后显著下降。20wt%树脂含量制备的重组竹物理力学性能优异,其静曲强度和弹性模量分别达到178.35MPa和18.16 GPa,水平剪切强度达到19.21 MPa,抗压强度为107.38 MPa,吸水宽度膨胀率和吸水厚度膨胀率分别为0.97%和3.74%,均超过了GB/T 20241-2006《单板层积材》中规定的结构用单板层积材和GB/T 30364-2013《重组竹地板》中规定的室外用重组竹地板优等品的要求。户外用重组竹相比于其它竹基和木基复合材料在力学性能和尺寸稳定方面具有突出优势,在户外建筑和铺地材料等领域具有巨大的应用潜力。(2)树脂在重组竹胶合界面处的宏观分布和微观渗透取决于树脂的分子量分布。高分子量的树脂分布在胶合线附近被破坏的竹材细胞腔,低分子量的树脂能渗透到竹细胞壁中,并且低分子量树脂过度渗透会导致胶合线处的严重缺胶现象。树脂与竹材纤维素在分子水平发生了交联反应,产生了诸如极性力和氢键之类的次生力。树脂分子量分布对重组竹的物理力学性能有显著影响。随着树脂分子量的增加,重组竹的耐水性能逐渐增强,弯曲性能和抗压强度逐渐下降,剪切强度先增加后下降。(3)竹材和重组竹表面在UV辐照后发生了明显的光化学反应。木质素是光氧化降解最严重的成分,其愈创木基苯丙烷单元(G)比紫丁香基苯丙烷单元(S)对紫外光更为敏感。木质素含量随UV辐照时间增加而不断下降(尤其是辐照初期),并伴随着羰基的不断形成,这是竹材和重组竹表面光变色的主要原因。重组竹表面O元素含量及O/C增加高于竹材,C的氧化态显著升高,说明木质素和PF树脂都会发生光氧化反应,导致了重组竹表面的去木质素化和富纤维素化。(4)重组竹表面光稳定性明显高于竹材,原因在于竹材细胞密实化和PF树脂的光保护作用。在UV辐照200 h后,重组竹的表面ΔE*仅为竹材的56.08%,重组竹表面纤维细胞间隙出现的轴向裂纹明显少于竹材,重组竹表面木质素含量的下降和羰基含量的增加均低于竹材,重组竹表面木质素的光氧化程度比竹材轻。原因有两点:一方面,纤维化竹单板热压密实后制备成重组竹后,厚壁的纤维细胞含量增加,薄壁细胞不同程度被压缩及PF树脂附着或填充在细胞腔中而导致其细胞壁加厚。重组竹的密度增加至竹材的1.5~2倍左右,这有效地限制了UV在重组竹表面的散射和侵蚀深度。另一方面,重组竹表面的PF树脂也能在UV辐照后发生光氧化反应,一定程度上保护了木质素,缓解了木质素的光氧化降解。(5)有机/无机紫外吸收剂共用制备的紫外屏蔽涂料在缓解两种紫外吸收剂各自的缺陷和增强竹材表面光稳定性方面具有优势。纳米Ti O2颗粒的团聚现象得到明显改善,有机紫外吸收剂在UV辐照初期平均吸光度的快速下降得到明显减缓,丙烯酸聚合物基体的降解开裂被有效抑制。BP与无机紫外吸收剂共用表现出较弱的拮抗效应,而BTZ与无机紫外吸收剂共用则有良好的协同效应,是制备竹材用有机/无机紫外屏蔽涂料的最佳紫外吸收剂组合。(6)当BTZ/ZnO的含量之比为2:1时,紫外屏蔽涂料的光稳定效率最高,双组份紫外吸收剂之间的协同效应最强。BTZ和ZnO作为光稳定剂用于开发稳定、有效的户外竹质材料用紫外屏蔽涂料方面具有巨大潜力。
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